AP1000反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)混合補(bǔ)水分析

焦中杰

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200000）

與常規(guī)壓水堆核電廠相比，AP1000的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CVS）有較大的簡(jiǎn)化，其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：負(fù)荷跟蹤期間，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)不調(diào)節(jié)硼濃度，取消了硼回收系統(tǒng)；系統(tǒng)采用高壓加氫，取消了化學(xué)和容積控制箱；系統(tǒng)貯存2.5%重量濃度的硼酸溶液，該濃度不需要熱跟蹤，不強(qiáng)制要求特殊的環(huán)境溫度；設(shè)計(jì)有反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)，可向一回路提供所需硼濃度的含硼水。本文重點(diǎn)對(duì)調(diào)試期間CVS反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)混合補(bǔ)水試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1 簡(jiǎn)介

1.1 CVS簡(jiǎn)介

AP1000 CVS主要功能是為一回路提供凈化、化學(xué)控制和容積控制。

1.1.1 凈化控制

CVS凈化回路包括再生熱交換器和下泄熱交換器、節(jié)流孔板、樹(shù)脂床、反應(yīng)堆冷卻劑過(guò)濾器及相關(guān)閥門(mén)、管道和儀表。整個(gè)凈化回路位于安全殼內(nèi)，與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)直接相連，在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力下運(yùn)行，用于除去反應(yīng)堆冷卻劑中的腐蝕產(chǎn)物和裂變產(chǎn)物。在功率運(yùn)行期間，利用主泵提供RCS凈化流的強(qiáng)制循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭。凈化流從主泵出口引出，經(jīng)過(guò)再生熱交換器和下泄熱交換器冷卻，然后經(jīng)混床進(jìn)行除鹽，必要時(shí)通過(guò)陽(yáng)床，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和再生熱交換器加熱后返回主泵入口，如圖1所示。

圖1 化學(xué)和容積控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

凈化回路中的混床用于除去離子狀裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，過(guò)濾器用來(lái)除去顆粒狀雜質(zhì)和碎樹(shù)脂，陽(yáng)床在需要時(shí)投入用于除去反應(yīng)堆冷卻劑中的鋰，也可以在發(fā)生燃料破損事故時(shí)除去放射性同位素銫。

正常運(yùn)行時(shí)不需要對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行除氣，當(dāng)燃料破損超出正常范圍時(shí)，可將反應(yīng)堆冷卻劑引入核島放射性液體處理系統(tǒng)進(jìn)行除氣。此時(shí)經(jīng)過(guò)CVS的下泄流首先經(jīng)過(guò)下泄孔板降壓，然而排入核島放射性液體廢物處理系統(tǒng)脫氣裝置，除去其中的放射性裂變氣體。脫氣后的含硼水進(jìn)入核島放射性液體廢物處理系統(tǒng)的流出液暫存箱，由補(bǔ)水泵送回RCS，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)除氣。

1.1.2 容積控制

CVS容積控制通過(guò)補(bǔ)水和下泄來(lái)實(shí)現(xiàn)。CVS補(bǔ)水回路包括高揚(yáng)程補(bǔ)水泵及其相關(guān)的入口和出口管道。補(bǔ)水泵位于安全殼外的輔助廠房，通過(guò)一根公共入口母管從硼酸貯存箱除鹽水系統(tǒng)吸水。下泄回路包括反應(yīng)堆冷卻劑過(guò)濾器下游凈化回路的排水管線。流體通過(guò)一個(gè)下泄孔板（大幅降低流體壓力）和安全殼隔離閥，并輸送到放射性液體廢物處理系統(tǒng)（WLS）處理。

1.1.3 化學(xué)控制

CVS化學(xué)控制包括硼濃度調(diào)節(jié)、pH控制和含氧量控制。CVS化學(xué)加藥回路主要包括鋅添加裝置和氫添加裝置。鋅添加裝置和氫添加裝置分別設(shè)有一根獨(dú)立的注入管線，經(jīng)輔助廠房進(jìn)入安全殼內(nèi)。另外，硼酸、聯(lián)氨、氫氧化鋰等均通過(guò)補(bǔ)水回路加入到一回路。

RCS的硼濃度調(diào)節(jié)是為了補(bǔ)償啟堆、停堆、換料和燃耗引起的反應(yīng)性變化。RCS的硼化和稀釋分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的硼酸溶液和除鹽水，以上充和下泄配合的方式進(jìn)行。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的硼酸溶液由硼酸制備箱制備后儲(chǔ)存在硼酸儲(chǔ)存箱內(nèi)。

正常運(yùn)行期間，RCS的硼濃度調(diào)節(jié)操作一般通過(guò)反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)完成。在壽期末，一回路硼濃度很低，此時(shí)如果采用稀釋的方式降低一回路硼濃度，將會(huì)產(chǎn)生大量的放射性廢液。此時(shí)可以采用除硼的方式，即將化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的備用混床投入運(yùn)行，作為除硼床除去反應(yīng)堆冷卻劑中的硼，來(lái)降低一回路硼濃度。

控制反應(yīng)堆冷卻劑pH的化學(xué)添加劑為氫氧化鋰。氫氧化鋰所含7Li同位素的富集度必須超過(guò)99.9%，在需要添加氫氧化鋰時(shí)，將化學(xué)藥物手動(dòng)倒入化學(xué)添加箱內(nèi)，然后用除鹽水沖動(dòng)補(bǔ)水泵的吸入口，通過(guò)補(bǔ)水管線注入RCS。在需要除去一回路冷卻劑中過(guò)量的氫氧化鋰時(shí)，可以通過(guò)投入凈化子系統(tǒng)的陽(yáng)床進(jìn)行除鋰。在壽期末因硼濃度較高，10B（n，a）7Li輻照分解反應(yīng)產(chǎn)生較多的7Li，需要投入陽(yáng)床，除去過(guò)多的鋰離子，控制一回路pH。在壽期末RCS的硼濃度降低，10B（n，a）7Li反應(yīng)較弱，可以根據(jù)需要向一回路添加氫氧化鋰，以提高pH。

在反應(yīng)堆啟動(dòng)階段，RCS升溫升壓初期，向RCS添加聯(lián)氨作為除氧劑，進(jìn)行化學(xué)除氧。在需要添加聯(lián)氨時(shí)，將化學(xué)藥物手動(dòng)倒入化學(xué)添加箱內(nèi)，然后用除鹽水沖到補(bǔ)水泵的吸入口，通過(guò)補(bǔ)水管線注入RCS。在功率運(yùn)行時(shí)，向RCS添加H2，以減少一回路冷卻劑輻照分解產(chǎn)生的游離氧。氫氣由電廠氣體系統(tǒng)的高壓氫氣瓶提供，經(jīng)過(guò)再生熱交換器加入后最終注入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)。

1.2 反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)介紹

CVS補(bǔ)水和下泄子系統(tǒng)的運(yùn)行由反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)（RMCS）控制。RMCS允許操縱員調(diào)整RCS硼濃度，并根據(jù)穩(wěn)壓器液位來(lái)控制RCS水裝量。在電廠正常運(yùn)行期間，每天均需測(cè)量一回路的硼濃度，將其數(shù)值輸入到RMCS中，以確定向一回路進(jìn)行補(bǔ)水時(shí)混合補(bǔ)水三通閥的開(kāi)度。

操縱員通過(guò)軟操來(lái)操作RMCS。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，2臺(tái)補(bǔ)水泵不能同時(shí)運(yùn)行，操縱員必須手動(dòng)選擇1臺(tái)補(bǔ)水泵在需要時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。操作員也可根據(jù)需要通過(guò)手動(dòng)控制啟動(dòng)2臺(tái)補(bǔ)水泵，以增大向一回路的補(bǔ)水流量。

RMCS共有4種運(yùn)行模式?！芭鸹焙汀跋♂尅蹦Ｊ接糜谡{(diào)節(jié)RCS硼濃度；“混合”和“自動(dòng)補(bǔ)水”模式用于補(bǔ)充RCS水裝量而不改變硼濃度?！芭鸹薄跋♂尅焙汀盎旌稀蹦Ｊ叫栌刹倏v員啟動(dòng)RMCS。“自動(dòng)補(bǔ)水模式”可由操縱員選擇，該模式下，RMCS由穩(wěn)壓器液位信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)[1]。

為硼化RCS，操縱員設(shè)置反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)以“硼化”模式運(yùn)行，為RCS添加一定數(shù)量的硼酸（不含除鹽水），輸入向一回路注入的水容積和注入流量，啟動(dòng)“硼化”模式。在啟動(dòng)“硼化”模式后，三通混合閥切換到硼酸貯存箱吸入管線，除鹽水隔離閥自動(dòng)關(guān)閉。選定的補(bǔ)水泵隨即自動(dòng)運(yùn)行，流體從正常補(bǔ)水管線進(jìn)入RCS。通過(guò)設(shè)置在補(bǔ)水泵出口總管上的流量計(jì)測(cè)量流量，RMCS累計(jì)達(dá)到預(yù)設(shè)量后，泵停運(yùn)。在一回路補(bǔ)水過(guò)程中，由下泄隔離閥穩(wěn)壓器水位控制程序自動(dòng)控制，在穩(wěn)壓器水位達(dá)到高定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟。

如果需要稀釋RCS，操縱員選擇RMCS“稀釋”模式，向RCS添加一定比例的除鹽水，輸入向一回路注入的水容積和注入流量，啟動(dòng)“稀釋”模式。啟動(dòng)“稀釋”模式后，三通混合閥切換到除鹽水水源，除鹽水隔離閥自動(dòng)開(kāi)啟。補(bǔ)水泵運(yùn)行方式相似，將流體從正常補(bǔ)水通道輸送流體到RCS，直到達(dá)到預(yù)設(shè)量。在一回路補(bǔ)水過(guò)程中，下泄隔離閥由穩(wěn)壓器水位控制程序自動(dòng)控制，在穩(wěn)壓器水位達(dá)到高定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟。

當(dāng)一回路發(fā)生小泄漏時(shí)，需向一回路補(bǔ)充與一回路相同硼濃度的硼酸溶液，此時(shí)可選擇“混合”模式。在“混合”模式運(yùn)行下的RMCS，將硼酸和除鹽水混合，以達(dá)到預(yù)期的硼酸濃度。輸入向一回路注入的水容積和注入流量，然后啟動(dòng)“混合”模式。啟動(dòng)“混合”模式后，三通混合閥開(kāi)到一定程度，除鹽水隔離閥自動(dòng)開(kāi)啟，調(diào)整至一回路所需硼濃度。通常RMCS在“自動(dòng)”模式下運(yùn)行，以補(bǔ)償RCS泄漏并將穩(wěn)壓器液位維持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。在一回路補(bǔ)水過(guò)程中，下泄隔離閥由穩(wěn)壓器水位控制程序自動(dòng)控制，在穩(wěn)壓器水位達(dá)到高定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟。

2 AP1000 RMCS試驗(yàn)

AP1000在熱態(tài)功能試驗(yàn)期間，CVS需驗(yàn)證RMCS 4種模式即“硼化”“稀釋”“混合”與“自動(dòng)補(bǔ)水”。

執(zhí)行“硼化”模式試驗(yàn)，需選定1臺(tái)補(bǔ)水泵設(shè)置為自動(dòng)，在RMCS中設(shè)定補(bǔ)水泵出口流量、RCS補(bǔ)水量及當(dāng)前硼酸儲(chǔ)存箱（簡(jiǎn)稱BAST）硼濃度。通過(guò)目標(biāo)硼濃度計(jì)算得出RCS補(bǔ)水量。啟動(dòng)RMCS后，驗(yàn)證補(bǔ)水泵入口三通閥切至硼酸儲(chǔ)存箱一側(cè)，開(kāi)啟補(bǔ)水泵出口流量調(diào)節(jié)閥，將流量調(diào)至設(shè)定流量。達(dá)到補(bǔ)水設(shè)定值后，RMCS自動(dòng)停止運(yùn)行。對(duì)一回路進(jìn)行取樣，驗(yàn)證取樣結(jié)果與目標(biāo)硼濃度是否一致。

執(zhí)行“稀釋”模式試驗(yàn)與“硼化”模式試驗(yàn)類似，相同設(shè)置并驗(yàn)證相關(guān)設(shè)備自動(dòng)啟停，最后對(duì)一回路取樣，驗(yàn)證結(jié)果與目標(biāo)硼濃度是否一致。

執(zhí)行“混合”模式試驗(yàn)，需選定1臺(tái)補(bǔ)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制，在RMCS中設(shè)定補(bǔ)水泵出口流量、RCS補(bǔ)水量、當(dāng)前RCS硼濃度及當(dāng)前硼酸儲(chǔ)存箱硼濃度。啟動(dòng)RMCS后，驗(yàn)證補(bǔ)水泵入口三通閥同時(shí)開(kāi)向BAST和除鹽水管線，除鹽水供給閥打開(kāi)，補(bǔ)水泵出口流量調(diào)節(jié)閥將根據(jù)補(bǔ)水泵出口流量整定值自動(dòng)調(diào)節(jié)至相應(yīng)的閥位，補(bǔ)水泵入口在通閥將自動(dòng)調(diào)整開(kāi)度，使設(shè)定硼濃度和計(jì)算硼濃度相匹配。當(dāng)硼酸補(bǔ)給流量與除鹽水補(bǔ)給流量比例和RMCS中操縱員設(shè)定的硼濃度相差不小于2%時(shí)，1 min后觸發(fā)通知，如果該通知未能及時(shí)處理，RMCS將中止運(yùn)行。存在閉鎖硼稀釋信號(hào)除外。

計(jì)算流量比與測(cè)量流量比的計(jì)算公式為

式中：CFR為計(jì)算流量比；Cr為當(dāng)前RCS 硼濃度；CB為當(dāng)前BAST硼濃度；MFR為測(cè)量流量比；FB為硼酸補(bǔ)給流量平均值；FD為除鹽水補(bǔ)給流量平均值；Δ為硼濃度補(bǔ)給偏差。

2.1 AP1000依托項(xiàng)目“混合”模式試驗(yàn)

以AP1000依托項(xiàng)目某機(jī)組為例，“混合”模式試驗(yàn)程序要求驗(yàn)證100 ppm硼酸濃度向一回路“混合”補(bǔ)水。試驗(yàn)設(shè)定如下：

補(bǔ)水泵出口流量設(shè)定為22.7 m3/hr；

RCS補(bǔ)水量3 m3；

當(dāng)前RCS硼濃度為100 ppm；

當(dāng)前BAST硼濃度為3 771 ppm。

根據(jù)計(jì)算公式，A、B 2列試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 “混合”模式補(bǔ)水試驗(yàn)結(jié)果

偏差均超過(guò)2%，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果偏離原因分析

（1）補(bǔ)水泵入口三通閥為氣動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，在閥門(mén)接收指令到調(diào)節(jié)至設(shè)定閥位，所花時(shí)間約2 min，其閥門(mén)PID調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間高濃度硼酸進(jìn)入一回路，實(shí)際混合補(bǔ)水硼濃度偏離。

（2）查詢硼酸補(bǔ)給流量計(jì)與除鹽水補(bǔ)給流量計(jì)廠家文件，顯示儀表精度為3%，精度相對(duì)較低。當(dāng)“混合”模式補(bǔ)水設(shè)定硼濃度過(guò)低時(shí)，硼酸補(bǔ)給流量計(jì)FB數(shù)值過(guò)低，精度不足會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，測(cè)量流量比MFR不準(zhǔn)確。由此可判斷，當(dāng)“混合”模式補(bǔ)水設(shè)定硼濃度過(guò)高時(shí)，除鹽水補(bǔ)給流量計(jì)FD數(shù)值過(guò)低，同樣會(huì)導(dǎo)致MFR不準(zhǔn)確。

2.3 改進(jìn)后驗(yàn)證

因硼酸補(bǔ)給流量計(jì)與除鹽水補(bǔ)給流量計(jì)暫無(wú)更高精度儀表可替代，故將“混合”模式補(bǔ)水硼濃度設(shè)定為“中間”硼濃度；同時(shí)將補(bǔ)水泵入口三通閥PID進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)上述措施改正后，再次進(jìn)行試驗(yàn)，本次試驗(yàn)設(shè)定如下：

補(bǔ)水泵出口流量設(shè)定為22.7 m3/hr；

RCS補(bǔ)水量3 m3；

當(dāng)前RCS硼濃度為880 ppm；

當(dāng)前BAST硼濃度為4 400 ppm。

根據(jù)計(jì)算公式，A、B 2列試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 “混合”模式補(bǔ)水再次試驗(yàn)結(jié)果

偏差小于2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

AP1000 CVS設(shè)有反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)（RMCS），可實(shí)現(xiàn)4種模式向一回路補(bǔ)水。但因設(shè)備性能本身，存在混合補(bǔ)水濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)出現(xiàn)硼濃度補(bǔ)給超差的問(wèn)題。本文從依托項(xiàng)目試驗(yàn)中針對(duì)硼濃度補(bǔ)給偏差可能的原因進(jìn)行分析，并針對(duì)性地進(jìn)行驗(yàn)證。在后續(xù)項(xiàng)目中，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵閥門(mén)、儀表采取更高精度，以便能夠獲得更精確的硼濃度補(bǔ)給。